JP2009092712A - Method for manufacturing optical functional element, and method for manufacturing lithium tantalate single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長変換素子等に用いて好適な光機能素子の製造方法であって、タンタル酸リチウム単結晶基板を用いる光機能素子の製造方法及びタンタル酸リチウム単結晶の製造方法に係わる。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical functional element suitable for use in a wavelength conversion element or the like, and relates to a method for manufacturing an optical functional element using a lithium tantalate single crystal substrate and a method for manufacturing a lithium tantalate single crystal.
タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）に代表される無機強誘電体結晶は、レーザ光発生装置において波長変換素子等に用いられる。
そして、例えば、第二高調波発生（ＳＨＧ）を利用した波長変換素子の場合、近赤外光を入射して緑色光を得ることができることから、レーザ光源を用いた画像生成装置（プロジェクタやプリンタ等）や光学記録再生装置等に適用することができる。
Inorganic ferroelectric crystals typified by lithium tantalate (LiTaO 3 ) and lithium niobate (LiNbO 3 ) are used for wavelength conversion elements and the like in laser light generators.
For example, in the case of a wavelength conversion element using second harmonic generation (SHG), green light can be obtained by incidence of near-infrared light, so that an image generation apparatus (projector or printer) using a laser light source can be obtained. Etc.) and an optical recording / reproducing apparatus.
最近、波長変換素子として、上述したタンタル酸リチウム等の無機強誘電体単結晶の分極を周期的に反転させる構造が、主流となっている。
この構造の波長変換素子は、疑似位相整合（Quasi Phase Matching；ＱＰＭ）方式、即ち、基本波と高調波の伝搬定数の差を周期構造で補償して位相を整合させる方式を採用している。
この方式では、高い変換効率が得られること、出力光の平行ビーム化・回折限界集光が容易であること、適用できる材料や波長に制限がないこと等、多くの優れた特徴を持っている。
Recently, as a wavelength conversion element, a structure in which the polarization of an inorganic ferroelectric single crystal such as lithium tantalate described above is periodically inverted has become mainstream.
The wavelength conversion element having this structure employs a quasi phase matching (QPM) method, that is, a method in which a phase difference is compensated by compensating for a difference in propagation constant between a fundamental wave and a harmonic by a periodic structure.
This method has many excellent features such as high conversion efficiency, easy parallelization of output light and diffraction-limited focusing, and no restrictions on applicable materials and wavelengths. .
ところで、レーザ光の波長変換素子においては、耐光損傷強度が強いことが要求され、そのための材料開発が求められている。 By the way, in the wavelength conversion element of a laser beam, it is requested | required that the light damage damage intensity | strength is strong, and material development for it is calculated | required.
例えば、コングルエント組成（一致溶融組成）のタンタル酸リチウム単結晶基板を、ＶＴＥ（Vapor Transport Equilibration；気相平衡法）によって処理して、化学量論組成に近づけることが提案されている（特許文献１参照）。
これにより、耐光損傷強度を向上させることができる。また、抗電場Ｅｃ（分極を反転させるための印加電圧の目安となる値）の値も、コングルエント組成タンタル酸リチウム単結晶の２０ｋＶ／ｍｍ以上に対して、数１００Ｖ／ｍｍと低減化できて、分極反転が比較的容易にできるようになる。
For example, it has been proposed to process a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition (coincidence melting composition) by VTE (Vapor Transport Equilibration) to bring it close to a stoichiometric composition (Patent Document 1). reference).
Thereby, the light damage resistance can be improved. In addition, the value of the coercive electric field Ec (a value that is a guideline of the applied voltage for reversing the polarization) can be reduced to several hundred V / mm with respect to 20 kV / mm or more of the congruent composition lithium tantalate single crystal, Polarization reversal can be performed relatively easily.
また、２重ルツボ法と称される特殊な結晶育成装置を用いて、添加物を加えた化学量論組成に近いタンタル酸リチウム単結晶を育成する製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
この製造方法によって単結晶を育成することにより、耐光損傷強度の向上や抗電場の低減化を図ることができる。
By growing the single crystal by this manufacturing method, it is possible to improve the light damage resistance and reduce the coercive field.
しかしながら、上記特許文献１に記載された製造方法では、単結晶の耐光損傷強度は必ずしも充分には得られていない。
また、上記特許文献２に記載された製造方法では、特殊な結晶育成装置を必要とするため、装置が複雑になり、組成均質性や大型化、量産化、低コスト化については充分とは言い難い。
However, with the manufacturing method described in Patent Document 1, the light damage resistance of a single crystal is not always sufficiently obtained.
In addition, since the manufacturing method described in Patent Document 2 requires a special crystal growth apparatus, the apparatus becomes complicated, and it is said that the composition homogeneity, enlargement, mass production, and cost reduction are sufficient. hard.
更に、化学量論組成のタンタル酸リチウム単結晶基板に周期分極反転構造を形成した波長変換機能を有する光機能素子において、得られる波長変換波の変換効率にばらつきが生じる場合があることがわかってきた。変換効率のばらつきは、例えばこの光機能素子を短波長の光源として用いる光学装置等において、その出力特性等に影響することから、できるだけ抑制されることが望ましい。 Furthermore, it has been found that in the optical functional element having a wavelength conversion function in which a periodically poled structure is formed on a stoichiometric lithium tantalate single crystal substrate, the conversion efficiency of the obtained wavelength conversion wave may vary. It was. Variations in conversion efficiency are preferably suppressed as much as possible because, for example, in an optical apparatus using this optical functional element as a short wavelength light source, the output characteristics are affected.
上述した問題の解決のために、本発明においては、タンタル酸リチウム単結晶の耐光損傷強度を充分に確保すると共に抗電場の増加を抑え、更に、周期分極反転構造を形成した場合の特性のばらつきを抑えることを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, the light damage resistance of the lithium tantalate single crystal is sufficiently ensured and the increase of the coercive electric field is suppressed, and further, variation in characteristics when a periodically poled structure is formed. It aims at suppressing.
本発明による光機能素子の製造方法は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加物として含み、その添加量を０ｍｏｌ％を超える０．１５ｍｏｌ％以下とするコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を使用して、このコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を、少なくともリチウムを含む原料を用いて気相平衡法により処理することにより、化学量論組成に近づける。そして、この化学量論組成に近づけたタンタル酸リチウム単結晶基板を用いて光機能素子を形成することを特徴とする。 The method for producing an optical functional element according to the present invention uses a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition containing magnesium oxide (MgO) as an additive and having an addition amount of more than 0 mol% and not more than 0.15 mol%. The lithium tantalate single crystal substrate having this congruent composition is processed by a vapor phase equilibrium method using a raw material containing at least lithium, thereby bringing it close to the stoichiometric composition. An optical functional element is formed using a lithium tantalate single crystal substrate close to the stoichiometric composition.
本発明のタンタル酸リチウム単結晶の製造方法は、ＭｇＯを添加物として含み、その添加量を０ｍｏｌ％を超える０．１５ｍｏｌ％以下とするコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を使用して、このコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を、少なくともリチウムを含む原料を用いて気相平衡法により処理することにより、化学量論組成に近づけることを特徴とする。 The method for producing a lithium tantalate single crystal of the present invention uses a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition containing MgO as an additive and having an addition amount exceeding 0.1 mol% and not more than 0.15 mol%. A lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition is processed by a vapor phase equilibrium method using a raw material containing at least lithium, and is close to a stoichiometric composition.
上述の本発明の光機能素子の製造方法及びタンタル酸リチウム単結晶の製造方法によれば、ＭｇＯを添加物として含むコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を使用して気相平衡法により処理を行うので、抗電場を低減することが可能になる。
また、添加物を含まないコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を使用して気相平衡法により処理を行った場合と比較して、処理後に得られる単結晶の耐光損傷強度を向上することが可能になる。
そして特に本発明によれば、ＭｇＯの添加量を上述の範囲に選定することによって、周期分極反転構造を形成した場合の特性のばらつきを抑えることができる。
According to the method for producing an optical functional element and the method for producing a lithium tantalate single crystal of the present invention described above, treatment is performed by a vapor phase equilibrium method using a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition containing MgO as an additive. As a result, the coercive electric field can be reduced.
In addition, the light damage resistance of the single crystal obtained after the treatment can be improved as compared with the case where the treatment is performed by the vapor phase equilibrium method using the lithium tantalate single crystal substrate having the congruent composition not containing the additive. It becomes possible.
And especially according to this invention, the dispersion | variation in the characteristic at the time of forming a periodic polarization inversion structure can be suppressed by selecting the addition amount of MgO to the above-mentioned range.
本発明者等の鋭意考察研究の結果、ＭｇＯの添加量を多くし過ぎると、周期分極反転構造を同じ条件で作製した場合にタンタル酸リチウム単結晶基板内の分極反転構造のばらつきが生じていることが分かった。この分極反転構造のばらつきを抑えるためには、これを形成する際の条件、例えば電圧印加により形成する際の電極形状や材料、パルス電圧の波形等の工夫が必要となる。これに対しＭｇＯの添加量を適切な範囲に選択することにより、分極反転構造の形成条件を複雑化することなく周期分極反転構造のばらつきを抑えることができ、結果的に特性のばらつきを抑えることが可能となる。 As a result of diligent research by the present inventors, when the amount of MgO added is excessively large, variations in the domain-inverted structure in the lithium tantalate single crystal substrate occur when the periodically domain-inverted structure is produced under the same conditions. I understood that. In order to suppress the variation of the domain-inverted structure, it is necessary to devise conditions for forming the domain-inverted structure, for example, the electrode shape and material when forming by voltage application, and the pulse voltage waveform. On the other hand, by selecting the addition amount of MgO within an appropriate range, it is possible to suppress the variation of the periodically poled structure without complicating the formation conditions of the domain-inverted structure, and consequently suppress the dispersion of characteristics. Is possible.
本発明の製造方法によれば、耐光損傷強度に優れ、かつ抗電場も低い単結晶を得ることができる。したがって、分極反転型波長変換デバイスに用いて好適な単結晶を得ることができる。更に、周期分極反転構造を形成した場合の特性のばらつきを抑えることができる。 According to the production method of the present invention, a single crystal having excellent light damage resistance and low coercive electric field can be obtained. Therefore, a single crystal suitable for use in a polarization inversion type wavelength conversion device can be obtained. Furthermore, it is possible to suppress variation in characteristics when a periodically poled structure is formed.
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
本発明においては、予めＭｇＯが０ｍｏｌ％を超える０．１５ｍｏｌ％以下の添加量として添加されたコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を使用する。そしてこのコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を気相平衡法（ＶＴＥ法）により処理することで、化学量論組成（タンタル：リチウム＝１：１）に近づける。
Examples of the best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
In the present invention, a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition in which MgO is added in advance as an addition amount of 0.15 mol% or more exceeding 0 mol% is used. Then, the lithium tantalate single crystal substrate having this congruent composition is processed by the vapor phase equilibrium method (VTE method), so that it approaches the stoichiometric composition (tantalum: lithium = 1: 1).
上述の添加量の単結晶基板を作製する方法として例えば引上法により作製する場合では、単結晶を育成するための融液に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を上述の範囲の添加量をもって添加して、単結晶の育成を行えばよい。 As a method for producing a single crystal substrate with the above-mentioned addition amount, for example, when producing by a pulling method, magnesium oxide (MgO) is added to the melt for growing a single crystal with an addition amount in the above range, A single crystal may be grown.
ここで本発明においては、ＭｇＯの添加量をタンタル酸リチウムに対して０ｍｏｌ％を超える０．１５ｍｏｌ％以下の範囲内とするものである。後述するように、特に添加量を０．０２５ｍｏｌ％以上とする場合は、より確実に光損傷強度を向上する効果が得られる。 Here, in this invention, the addition amount of MgO shall be in the range of 0.15 mol% or less exceeding 0 mol% with respect to lithium tantalate. As will be described later, particularly when the addition amount is 0.025 mol% or more, the effect of improving the optical damage strength can be obtained more reliably.
一方、添加量が増えるに従い、自発分極等の誘電特性が低下していくので、添加量が多すぎると、誘電特性が充分に得られなくなる。また抗電場（Ｅｃ）の値も添加量が増えるに従い大きくなり、分極反転電圧が高くなり、分極反転幅比等の制御性に問題が生じる可能性がある。更には添加量が増えるに従い添加なしのコングルエント組成タンタル酸リチウム単結晶に比べて３インチ以上の大型結晶にした場合、結晶の高品質化が困難となることが予想される。 On the other hand, as the addition amount increases, dielectric properties such as spontaneous polarization deteriorate. Therefore, if the addition amount is too large, sufficient dielectric properties cannot be obtained. In addition, the value of the coercive electric field (Ec) also increases as the amount added increases, the polarization inversion voltage increases, and there is a possibility that a problem arises in controllability such as the polarization inversion width ratio. Furthermore, as the added amount increases, it is expected that it will be difficult to improve the quality of the crystal when it is made a large crystal of 3 inches or more as compared to the congruent composition lithium tantalate single crystal without addition.
そして特に、周期分極反転構造を形成した場合の特性として、後述するように周期分極反転構造を形成したタンタル酸リチウム単結晶基板に光を入射して波長変換光の出力を測定したところ、０．１５ｍｏｌ％を超える添加量とする場合は、波長変換光の出力のばらつきが大きくなることが分かった。このため、本発明においてはＭｇＯの添加量を０．１５ｍｏｌ％以下とするものである。 In particular, as a characteristic when the periodically poled structure is formed, light is incident on a lithium tantalate single crystal substrate on which the periodically poled structure is formed and the output of wavelength converted light is measured as described below. It was found that when the addition amount exceeds 15 mol%, the variation in the output of the wavelength-converted light becomes large. For this reason, in this invention, the addition amount of MgO shall be 0.15 mol% or less.
まず、本発明の光機能素子の製造方法に用いるタンタル酸リチウムの単結晶の製造方法の一実施の形態を説明する。
まず、ＭｇＯが添加物として予め添加されたコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を用意する。
ＭｇＯが予め添加されたコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板の育成方法としては、従来公知の育成方法、例えば引上法（所謂チョクラルスキー法）を適用することができる。
コングルエント組成では、リチウム及びタンタルのモル分率（Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５））＝０．４８３０〜０．４８５３となる。
上述のモル分率を有するタンタル酸リチウムの融液に、ＭｇＯを添加して、引上法によって単結晶を育成することにより、ＭｇＯが添加されたコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を作製することができる。
そして、例えば、引上法で育成された単結晶を、所定の厚さ（例えば、１ｍｍ程度）にスライスして得られた、例えば約５１ｍｍ（２インチ）のフルウエハーの単結晶基板１を用意する。
First, an embodiment of a method for producing a single crystal of lithium tantalate used in the method for producing an optical functional device of the present invention will be described.
First, a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition to which MgO is added in advance as an additive is prepared.
As a method for growing a congruent lithium tantalate single crystal substrate to which MgO has been added in advance, a conventionally known growth method, for example, a pulling method (so-called Czochralski method) can be applied.
In the congruent composition, the molar fraction of lithium and tantalum (Li 2 O / (Li 2 O + Ta 2 O 5 )) = 0.4830 to 0.4853.
By adding MgO to the lithium tantalate melt having the above mole fraction and growing the single crystal by the pulling method, a congruent composition lithium tantalate single crystal substrate to which MgO is added is produced. be able to.
For example, a single crystal substrate 1 of, for example, about 51 mm (2 inches) full wafer obtained by slicing a single crystal grown by the pulling method into a predetermined thickness (for example, about 1 mm) is prepared. To do.
次に、少なくともリチウムを含む原料、例えばタンタルとリチウムとを含む原料を使用して、気相平衡法（ＶＴＥ法）により処理を行う。原料としては、例えば、酸化タンタルと酸化リチウムとの混合粉末を使用することができる。 Next, using a raw material containing at least lithium, for example, a raw material containing tantalum and lithium, treatment is performed by a vapor phase equilibrium method (VTE method). As a raw material, for example, a mixed powder of tantalum oxide and lithium oxide can be used.
また、タンタル酸リチウム単結晶を化学量論組成に近づけるためには、原料において、タンタルよりもリチウムを多くする必要がある。例えば、原料のモル分率（Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５））を０．５５〜０．９５とすればよい。 Further, in order to bring the lithium tantalate single crystal close to the stoichiometric composition, it is necessary to increase the amount of lithium in the raw material rather than tantalum. For example, the molar fraction of the raw material (Li 2 O / (Li 2 O + Ta 2 O 5 )) may be set to 0.55 to 0.95.
気相平衡法（ＶＴＥ法）の条件は、処理温度を１１００℃〜１６５０℃、好ましくは１２００℃〜１５００℃とし、処理時間を５時間〜４００時間程度とする。
なお、処理時間は、処理する単結晶基板の厚さに依存し、例えば、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の厚さの単結晶基板に対しては、１０時間〜３００時間程度が好ましい。
The conditions of the vapor phase equilibration method (VTE method) are a treatment temperature of 1100 ° C. to 1650 ° C., preferably 1200 ° C. to 1500 ° C., and a treatment time of about 5 hours to 400 hours.
The processing time depends on the thickness of the single crystal substrate to be processed. For example, about 10 to 300 hours is preferable for a single crystal substrate having a thickness of about 0.5 mm to 1.0 mm.
本実施の形態における、気相平衡法（ＶＴＥ法）による処理の基本的な流れは、以下に示す通りである。
（１）原料粉末が充填された収容部材（白金皿等）を容器に入れる。
（２）収容部材に対して単結晶基板を配置する。
（３）原料粉末及び単結晶基板の周囲を被覆部材で覆ってほぼ密閉状態とし、それらを容器内に収容して密閉する。
（４）容器を高温で所定時間加熱する。
（５）高温処理後、容器から被覆部材を取り外して、単結晶基板を取り出す。
The basic flow of processing by the vapor phase equilibrium method (VTE method) in the present embodiment is as follows.
(1) A housing member (platinum dish or the like) filled with the raw material powder is put in a container.
(2) A single crystal substrate is disposed on the housing member.
(3) The surroundings of the raw material powder and the single crystal substrate are covered with a covering member so as to be almost sealed, and they are accommodated in a container and sealed.
(4) The container is heated at a high temperature for a predetermined time.
(5) After the high temperature treatment, the covering member is removed from the container, and the single crystal substrate is taken out.
そして、本実施の形態において気相平衡法による処理を行う処理装置の一例の概略構成図を図１に示す。図１はこの装置の断面構成を示している。 FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an example of a processing apparatus that performs processing by the vapor phase equilibrium method in the present embodiment. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of this apparatus.
図１に示すように、本実施の形態では、原料粉末３を入れるための収容部材４として、一端部に開口を有し、所定の深さをもった白金等よりなる皿を使用する。 As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a dish made of platinum or the like having an opening at one end and a predetermined depth is used as the housing member 4 for containing the raw material powder 3.
複数枚の基板１（例えば、フルウエハー）は、保持部材５によって支持された状態で、収容部材４に配置される。
ここで、保持部材５の一形態の概略側面構成図及び斜視構成図を図２Ａ及び図２Ｂに示す。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、この保持部材５（支持治具或いはホルダー）は、基板１，１，…が、個々の基板に対してそれぞれ形成された溝５ａ，５ａ，…内に受け入れられることにより、直立状態で整列される。
保持部材５の材質としては、白金製の板や線材等を使用することができる。
A plurality of substrates 1 (for example, full wafers) are arranged in the accommodating member 4 while being supported by the holding member 5.
Here, a schematic side configuration diagram and a perspective configuration diagram of one embodiment of the holding member 5 are shown in FIGS. 2A and 2B.
As shown in FIG. 2A and FIG. 2B, the holding member 5 (support jig or holder) receives the substrates 1, 1,... In the grooves 5a, 5a,. Are aligned in an upright state.
As a material of the holding member 5, a platinum plate, a wire, or the like can be used.
なお、各基板を積み重ねて積層状態に配置し、隣り合う基板の間にスペーサ（白金線等）を介在させる方法も考えられるが、作業性に問題があり、また、基板のうちスペーサの存在によって隠れてしまう場所には気相平衡法で用いるリチウム等の蒸気が当たらないので処理ができなくなって有効面積が減少し、歩留まりの悪化に繋がる等の問題が生じる。
これに対して、本実施の形態のように、各基板を直立状態で整列させることにより、基板の間にスペーサ等を介在させる必要がなくなり、作業性や量産性を向上させることができる。
In addition, although the method of stacking each board | substrate and arrange | positioning in a lamination | stacking state and interposing a spacer (platinum wire etc.) between adjacent board | substrates is also considered, there exists a problem in workability | operativity, and also by presence of a spacer among board | substrates Since the vapor such as lithium used in the vapor phase equilibrium method does not hit the hidden place, the treatment cannot be performed, the effective area is reduced, and the yield is deteriorated.
On the other hand, by aligning the substrates in an upright state as in the present embodiment, it is not necessary to interpose a spacer or the like between the substrates, and workability and mass productivity can be improved.
保持状態の基板同士の間隔が狭すぎると、処理に支障を来す虞があるので、十乃至十数ミリメートル程度の間隔を確保することが望ましい。但し、基板同士の間隔を大きくしすぎると、一度にセット可能な基板枚数が少なくなってしまうことに注意を要する。
また、保持部材５に対して、各基板を正確に垂直な状態で保持する必要はなく、許容される傾斜角度をもって各基板をほぼ直立状態で保持すればよい。
If the distance between the substrates in the holding state is too narrow, the processing may be hindered. Therefore, it is desirable to secure an interval of about ten to ten and several millimeters. However, it should be noted that if the distance between the substrates is too large, the number of substrates that can be set at one time is reduced.
Further, it is not necessary to hold each substrate in a state of being accurately vertical with respect to the holding member 5, and it is only necessary to hold each substrate in an upright state with an allowable inclination angle.
原料粉末３が充填された収容部材４に対して、基板１，１，…を保持した保持部材５は原料粉末３の上に載置される。そして、この状態で、原料粉末３及び各基板１の周囲を覆うようにして被覆部材６を被せる。 The holding member 5 holding the substrates 1, 1,... Is placed on the raw material powder 3 with respect to the housing member 4 filled with the raw material powder 3. In this state, the covering member 6 is covered so as to cover the periphery of the raw material powder 3 and each substrate 1.
被覆部材６は、原料粉末３及び基板１，１，…を密封するための部材であり、例えば、一端部が開口された円筒状の白金製等のルツボを用いることができる。
そして、被覆部材６を被せた状態では、図１に示すように、被覆部材６の開口縁が容器７の内底面に接触された状態となっている。
The covering member 6 is a member for sealing the raw material powder 3 and the substrates 1, 1,..., For example, a cylindrical platinum crucible having one end opened.
In a state where the covering member 6 is covered, the opening edge of the covering member 6 is in contact with the inner bottom surface of the container 7 as shown in FIG.
容器７（加熱用容器）は、原料粉末３が充填された収容部材４と、各基板１をほぼ垂直の状態に保持した状態の保持部材５と、これらの部材を覆っている被覆部材６を収容して高温で加熱するための部材である。
本実施の形態では、角箱状をした２分割型のアルミナ等より成る角型容器が用いられ、上ハーフ７Ｈと、下ハーフ７Ｌとで構成される空間内に上記の各部材４，５，６や基板１、原料粉末３が収容される。つまり、原料粉末３が充填された収容部材４が下ハーフ７Ｌの内底面に位置され、これに基板１を保持した状態の保持部材５が配置される。そして、これらを被覆部材６で覆うことにより、この被覆部材６と下ハーフ７Ｌとの間に形成される空間内に、基板１や原料粉末３等がほぼ密封状態で閉じ込められる。そして、下ハーフ７Ｌに上ハーフ７Ｈを載せて両者を一体にすることで、全てが容器７内に収容される。
The container 7 (heating container) includes an accommodation member 4 filled with the raw material powder 3, a holding member 5 in a state where each substrate 1 is held in a substantially vertical state, and a covering member 6 covering these members. It is a member for housing and heating at a high temperature.
In the present embodiment, a rectangular container made of a rectangular box-shaped two-part alumina or the like is used, and each of the above-described members 4, 5, 5 is placed in a space formed by the upper half 7 </ b> H and the lower half 7 </ b> L. 6, the substrate 1, and the raw material powder 3 are accommodated. That is, the accommodating member 4 filled with the raw material powder 3 is positioned on the inner bottom surface of the lower half 7L, and the holding member 5 in a state where the substrate 1 is held is disposed thereon. Then, by covering these with the covering member 6, the substrate 1, the raw material powder 3 and the like are confined in a substantially sealed state in a space formed between the covering member 6 and the lower half 7L. And all are accommodated in the container 7 by putting the upper half 7H on the lower half 7L, and making both together.
次に、上述した（４）の加熱工程で使用される装置の要部を、図３Ａ及び図３Ｂに示す。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、この装置８は、例えば円柱状をした炉９に凹部９ａが設けられる構成であり、その内底面に、図１に示した収容状態の容器７を配置して、炉蓋１０を閉じることにより密閉される。
そして、図示しない熱源（ヒーター）及び温度検出手段（熱電対を用いた温度センサ）、温度制御手段を用いて、大気中で高温の熱処理を行う。
これにより、基板１に対して、気相平衡法（ＶＴＥ法）による処理がなされる。
Next, the main part of the apparatus used in the heating step (4) described above is shown in FIGS. 3A and 3B.
As shown in FIG. 3A and FIG. 3B, this apparatus 8 has a configuration in which, for example, a cylindrical furnace 9 is provided with a recess 9a, and the container 7 in the accommodated state shown in FIG. Then, it is sealed by closing the furnace lid 10.
Then, high-temperature heat treatment is performed in the atmosphere using a heat source (heater), temperature detection means (temperature sensor using a thermocouple), and temperature control means (not shown).
As a result, the substrate 1 is processed by the vapor phase equilibrium method (VTE method).
ＶＴＥ法による処理が終了した後には、炉９から容器７を取り出して、容器７の上ハーフ７Ｈを外し、被せてある被覆部材６（白金ルツボ）を取り外す。
このとき、被覆部材６を容易に取り外すことができ、中の基板１を手際良く取り出すことができるため、従来の方法と比較して、工程数及び時間を短縮できる。したがって、作業性が良好であり、量産化に適している。
After the processing by the VTE method is completed, the container 7 is taken out from the furnace 9, the upper half 7H of the container 7 is removed, and the covering member 6 (platinum crucible) that is covered is removed.
At this time, since the covering member 6 can be easily removed and the substrate 1 in the inside can be taken out well, the number of steps and time can be reduced as compared with the conventional method. Therefore, workability is good and suitable for mass production.
このように処理して得られた基板１は、良好な特性を有し、例えば、ＳＨＧ等の非線形光学デバイスへの適用において、耐光損傷性が大幅に改善される。 The substrate 1 obtained by processing in this way has good characteristics, and, for example, the optical damage resistance is greatly improved in application to nonlinear optical devices such as SHG.
なお、気相平衡法（ＶＴＥ法）による処理を行った直後の基板は、引上法により育成された直後の単結晶基板（即ち、処理前の基板）と同様に、多分域状態となっているため、単分域化処理を行う。
単分域化処理の方法は、従来公知の方法を使用することができ、例えば、基板の両面に導電膜から成る電極を形成して、両電極間に電圧を印加すると共に、キュリー点よりも低い所定の温度で加熱する。
また、この単分域化処理において歪が生じた場合には、この歪を除去するために単分域化処理後にアニール（熱処理）を行う。
Note that the substrate immediately after the processing by the vapor phase equilibrium method (VTE method) is in a multi-domain state, similarly to the single crystal substrate immediately after being grown by the pulling method (that is, the substrate before processing). Therefore, single domain processing is performed.
A conventionally known method can be used as the method for the single domain treatment. For example, an electrode made of a conductive film is formed on both surfaces of a substrate, a voltage is applied between both electrodes, Heat at a low predetermined temperature.
In addition, when distortion occurs in the single domain processing, annealing (heat treatment) is performed after the single domain processing in order to remove the strain.
また、容器等の材質については、熱的及び化学的な安定性を考慮して、収容部材４、保持部材５、被覆部材６の何れにも白金（Ｐｔ）を用いることが好ましく、それら全体を囲む容器７としてアルミナ容器を用いることが好ましいが、原料粉末３の特性やコスト要求等に応じて、その他の材質を選択することももちろん可能である。 As for the material of the container or the like, it is preferable to use platinum (Pt) for any of the housing member 4, the holding member 5 and the covering member 6 in consideration of thermal and chemical stability, It is preferable to use an alumina container as the enclosing container 7, but it is of course possible to select other materials depending on the characteristics of the raw material powder 3, cost requirements, and the like.
上述の本実施の形態によれば、収容部材４に原料粉末３を入れるだけで不純物の混入がないようにすることができ、バインダー等の整形の必要もない。
また、基板１を保持部材５に載せるだけで基板１を設置できるため、基板の保持のための穴あけ加工等が不要になり、また各基板１をほぼ直立状態で保持してスペーサ等を不要にする。
また、基板１のサイズの変更に対しても、容易かつ柔軟に対応することができる。
さらに、被覆部材６を被せることにより、基板１を密閉することができるので、蒸気の漏れを防いで、ＶＴＥ法による処理を有効に行うことができる。
According to the above-described embodiment, it is possible to prevent impurities from being mixed simply by putting the raw material powder 3 into the housing member 4, and there is no need for shaping a binder or the like.
In addition, since the substrate 1 can be installed simply by placing the substrate 1 on the holding member 5, drilling or the like for holding the substrate becomes unnecessary, and each substrate 1 is held in an almost upright state, so that a spacer or the like is unnecessary. To do.
Further, it is possible to easily and flexibly cope with a change in the size of the substrate 1.
Furthermore, since the substrate 1 can be hermetically sealed by covering the covering member 6, it is possible to prevent the leakage of steam and effectively perform the processing by the VTE method.
従って、本実施の形態によれば、工程数を削減することができ、基板の品質管理が容易になる。また、基板サイズを変更しても製造設備を大幅に改変する必要がない。
しかも、添加物が添加されたコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を使用することから、コングルエント組成の単結晶の完成された育成技術をそのまま流用することができる。
即ち、タンタル酸リチウム単結晶の量産化や高品質化、３インチ以上の大型化、並びにコストの低減を図ることができる。
Therefore, according to the present embodiment, the number of steps can be reduced, and the quality control of the substrate becomes easy. In addition, even if the substrate size is changed, it is not necessary to significantly change the manufacturing equipment.
In addition, since the congruent composition lithium tantalate single crystal substrate to which the additive is added is used, the completed growth technique of the congruent composition single crystal can be used as it is.
That is, mass production and high quality of the lithium tantalate single crystal, an increase in size of 3 inches or more, and cost reduction can be achieved.
また、上述の本実施の形態によれば、添加物を添加したタンタル酸リチウム単結晶を使用して、ＶＴＥ法による処理を行うことにより、耐光損傷強度を充分に有し、かつ抗電場が低く、分極反転形成が容易となる誘電特性を有する単結晶を得ることができる。
そして、特に、添加物を含まないコングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を使用してＶＴＥ法による処理を行った場合と比較して、処理後に得られる単結晶の耐光損傷強度を向上することが可能になる。
In addition, according to the above-described embodiment, the treatment by the VTE method is performed using the lithium tantalate single crystal to which the additive is added, so that the light damage resistance is sufficiently high and the anti-electric field is low. Thus, a single crystal having dielectric characteristics that facilitates polarization inversion formation can be obtained.
In particular, the light damage resistance of the single crystal obtained after the treatment can be improved as compared with the case where the treatment by the VTE method is performed using the lithium tantalate single crystal substrate having the congruent composition that does not contain the additive. It becomes possible.
上述の実施の形態では、基板１としてフルウエハーを使用して、ＶＴＥ法による処理を行っているが、フルウエハーを分割した基板を使用してもよい。
また、被覆部材は、基板を収容した空間が密閉されるのであれば、原料粉末及び収容部材の全てを覆っていなくてもよい。例えば、被覆部材の開口端を収容部材（白金皿等）に収容された原料粉末に埋めて、原料粉末と被覆部材とによって密閉空間を形成してもよい。
In the above-described embodiment, a full wafer is used as the substrate 1 and processing is performed by the VTE method. However, a substrate obtained by dividing the full wafer may be used.
Further, the covering member may not cover all of the raw material powder and the accommodating member as long as the space accommodating the substrate is sealed. For example, the open end of the covering member may be buried in the raw material powder stored in a storage member (platinum dish or the like), and a sealed space may be formed by the raw material powder and the covering member.
上述した実施の形態の製造方法によって製造したタンタル酸リチウム単結晶は、例えば、周期分極反転構造を形成することでＳＨＧ等の波長変換素子や、その他偏光、焦点等の制御やスイッチング、光記憶等に用いる各種の光機能素子への適用が考えられる。 The lithium tantalate single crystal manufactured by the manufacturing method of the above-described embodiment includes, for example, a wavelength conversion element such as SHG by forming a periodic polarization inversion structure, and other control and switching of polarization and focus, optical storage, etc. Application to various optical functional elements used in the above is conceivable.
このような光学デバイスとして、周期分極反転構造を有するＳＨＧ等の波長変換素子に適用可能な本発明の実施の形態にかかる光機能素子の製造方法を、以下、図４Ａ〜図４Ｅを参照して説明する。 As such an optical device, a method for manufacturing an optical functional element according to an embodiment of the present invention that can be applied to a wavelength conversion element such as SHG having a periodically poled structure will be described below with reference to FIGS. 4A to 4E. explain.
まず、図４Ａに示すウエハ状の基板（単結晶基板）１を前述の図３Ａ及びＢにおいて説明した気相平衡法による処理を行う装置８に投入する。基板１としては、引上法（チョクラルスキー法）等で育成された、ＭｇＯを上述の添加量の範囲で添加したコングルエント組成の単結晶を、所定の厚さ（例えば１ｍｍ）にスライスしたものを使用することができる。この基板１に気相平衡法（ＶＴＥ法）により処理を行う。この処理によって化学量論組成とされた基板１を装置８から取り出した後、所定温度で電界を印加して単分域化を行う。 First, the wafer-like substrate (single crystal substrate) 1 shown in FIG. 4A is put into the apparatus 8 for performing the processing by the vapor phase equilibrium method described in FIGS. 3A and 3B. As the substrate 1, a single crystal having a congruent composition grown by a pulling-up method (Czochralski method) and adding MgO in the above-described range of addition amount is sliced to a predetermined thickness (for example, 1 mm). Can be used. The substrate 1 is processed by a vapor phase equilibrium method (VTE method). After the substrate 1 having a stoichiometric composition by this treatment is taken out from the apparatus 8, an electric field is applied at a predetermined temperature to make a single domain.
次に、図４Ｂに示すように、アルミニウム、クロム等から成る電極膜を、タンタル酸リチウム単結晶基板１の一方の面１Ａ上に全面に成膜した後、リソグラフィーによってパターニングして、数μｍ程度の周期及び幅、例えば８μｍ周期、３μｍ幅程度の所定周期を有するパターン電極１１Ａを形成する。なお、この周期及び幅は、タンタル酸リチウム単結晶基板に入射する基本波の波長や利用する波長変換の過程（第２高調波、第３高調波、パラメトリック発振、和周波混合等）によって適宜選定される。図４Ｂに示すように、この電極パターンとしては例えば櫛状のパターンとすることが望ましい。基板１の他方の面１Ｂには同様にアルミニウム、クロム等より成る膜状の電極、すなわち一様電極１１Ｂを形成する。 Next, as shown in FIG. 4B, an electrode film made of aluminum, chromium, or the like is formed on the entire surface of one surface 1A of the lithium tantalate single crystal substrate 1 and then patterned by lithography to have a thickness of about several μm. The pattern electrode 11A having a predetermined period of about 5 μm and a width of 3 μm, for example, is formed. The period and width are appropriately selected according to the wavelength of the fundamental wave incident on the lithium tantalate single crystal substrate and the wavelength conversion process used (second harmonic, third harmonic, parametric oscillation, sum frequency mixing, etc.). Is done. As shown in FIG. 4B, this electrode pattern is preferably, for example, a comb-like pattern. Similarly, a film-like electrode made of aluminum, chromium or the like, that is, a uniform electrode 11B is formed on the other surface 1B of the substrate 1.
次に、図４Ｃに示すように、対をなすパターン電極１１Ａ及び一様電極１１Ｂの間に、電圧印加部１２から数百Ｖ程度の例えば直流パルス電圧を印加する。これによって、図４Ｄに断面構成を概念的に示すように、単分域化された状態における矢印ａで示す分極方向とは逆向きの矢印ｂで示す分極方向の領域が電極間に形成される。これにより、所定の分極反転周期を持った周期分極反転構造１５が形成される。 Next, as shown in FIG. 4C, for example, a DC pulse voltage of about several hundred volts is applied from the voltage application unit 12 between the paired pattern electrode 11 </ b> A and uniform electrode 11 </ b> B. Thus, as conceptually shown in the cross-sectional configuration in FIG. 4D, a region of the polarization direction indicated by the arrow b opposite to the polarization direction indicated by the arrow a in the single domain state is formed between the electrodes. . Thereby, the periodically poled structure 15 having a predetermined polarization inversion period is formed.
その後、基板１上に形成された個々の素子部分を切断等により分離して、更に研磨や反射防止等の光学コートなどの処理工程を経て、光機能素子を形成する。これにより、図４Ｅに示すような光機能素子２０を製造することができる。
図４Ｅに示す光学デバイス２としては、例えば、光線伝播方向の長さが８ｍｍ程度の波長変換素子等が挙げられる。
Thereafter, individual element portions formed on the substrate 1 are separated by cutting or the like, and further subjected to processing steps such as optical coating such as polishing and antireflection to form an optical functional element. Thereby, the optical functional element 20 as shown in FIG. 4E can be manufactured.
Examples of the optical device 2 shown in FIG. 4E include a wavelength conversion element having a length in the light propagation direction of about 8 mm.
続いて、本発明の製造方法により得られる光機能素子の特性について調べた。以下の例においては、ＭｇＯの添加量を変えてタンタル酸リチウム単結晶を製造し、得られた各タンタル酸リチウム単結晶に周期分極反転構造を形成して、波長変換特性を測定して特性の比較を行った。 Subsequently, the characteristics of the optical functional element obtained by the manufacturing method of the present invention were examined. In the following examples, lithium tantalate single crystals were produced by changing the amount of MgO added, and periodically poled structures were formed on each of the obtained lithium tantalate single crystals. A comparison was made.
波長変換特性を測定した光学装置の概略構成図を図５に示す。この光学装置５０は、半導体レーザ等より成る励起光源５１と、半波長板５２、コリメートレンズ等の光学レンズ５３、共振器を構成するミラー５４、レーザ媒質５５、本発明により得られる光機能素子５６及び共振器を構成するミラー５７により構成される。励起光源５１から出射されたレーザ光は半波長板により偏光方向を変換され、光学レンズ５３によって所望のビーム形状に成形されて、基本波及び変換波に対し高反射率で励起光源５１から出射される光に対し高透過率を示すミラー５４を介してＹＶＯ４等のレーザ媒質５５に入射される。レーザ媒質５５において励起された基本波は、光機能素子５６に入射される。光機能素子５６において波長変換された２次高調波等の変換波は、基本波に対し高反射率で変換波を透過するミラー５７を透過して外部に矢印Ｌｏで示すように出力される。 FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of an optical device that measures the wavelength conversion characteristics. The optical device 50 includes an excitation light source 51 made of a semiconductor laser, a half-wave plate 52, an optical lens 53 such as a collimating lens, a mirror 54 constituting a resonator, a laser medium 55, and an optical functional element 56 obtained by the present invention. And a mirror 57 constituting a resonator. The laser light emitted from the excitation light source 51 is converted in polarization direction by a half-wave plate, shaped into a desired beam shape by the optical lens 53, and emitted from the excitation light source 51 with high reflectivity with respect to the fundamental wave and the converted wave. The light is incident on a laser medium 55 such as YVO 4 through a mirror 54 that exhibits high transmittance. The fundamental wave excited in the laser medium 55 is incident on the optical functional element 56. A converted wave such as a second harmonic wave converted in wavelength by the optical functional element 56 passes through a mirror 57 that transmits the converted wave with a high reflectivity with respect to the fundamental wave, and is output to the outside as indicated by an arrow Lo.
このような光学装置５０に上述した周期分極反転構造を形成したタンタル酸リチウム単結晶基板を光機能素子として用いることができる。
一般に、波長変換の効率の指標となる実効非線形光学定数ｄｅｆｆは、図６に示すように、周期分極反転構造１５の周期をΛ、反転した分極域１６の幅をＬとして、この比をＤ＝Ｌ／Λとすると、
ｄｅｆｆ∝ｓｉｎ（π×Ｄ）
で表される。２次変換波の出力ＰＳＨＧは、
ＰＳＨＧ∝ｄｅｆｆ ２
の関係がある。
A lithium tantalate single crystal substrate in which the above-described periodic polarization inversion structure is formed in such an optical device 50 can be used as an optical functional element.
In general, as shown in FIG. 6, the effective nonlinear optical constant d eff serving as an index of the efficiency of wavelength conversion is such that the period of the periodically poled structure 15 is Λ, the width of the inverted polarization region 16 is L, and this ratio is D = L / Λ,
d eff ∝sin (π × D)
It is represented by The output P SHG of the secondary converted wave is
P SHG ∝d eff 2
There is a relationship.
つまり、周期分極反転構造１５の周期Λと分極域の幅Ｌとの比が変動すると、出力が変動することとなる。図７〜図９にこの様子を模式的に示す。
図７Ａにおいては、タンタル酸リチウム単結晶基板１に理想的に周期分極反転構造１５が形成される場合を示す。すなわち、櫛状等のパターンの電極が形成される側の面１Ａから反対側の面１Ｂにかけて、斜線を付して示すように分極域１６がほぼ一様な幅をもって形成される。この例は、比較的ＭｇＯの添加量が少なく例えば０．０２５ｍｏｌ％近傍であり、したがって抗電場Ｅｃが比較的低く１８０Ｖ／ｍｍ程度のタンタル酸リチウム単結晶基板の場合である。この基板１に対し、矢印Ｌ１で示すように入射する基本波の入射位置を、図７Ａの矢印ｙで示す厚さ方向に移動した場合の、矢印Ｌ２で示す変換波の出力の変化を測定した結果を図７Ｂに示す。この例においては、基本波として波長１０６４ｎｍのレーザ光を用い、波長５３２ｎｍの変換波を出力する構成とする。図７Ｂに示すように、この場合は、変換波が得られる範囲内においてほぼ一様な出力が得られることが分かる。
That is, when the ratio between the period Λ of the periodically poled structure 15 and the width L of the polarization region varies, the output varies. 7 to 9 schematically show this state.
FIG. 7A shows a case where the periodically poled structure 15 is ideally formed on the lithium tantalate single crystal substrate 1. That is, the polarization region 16 is formed with a substantially uniform width as shown by hatching from the surface 1A on the side where the electrode having a comb-like pattern is formed to the surface 1B on the opposite side. This example is a case of a lithium tantalate single crystal substrate in which the amount of MgO added is relatively small, for example, in the vicinity of 0.025 mol%, and therefore the coercive electric field Ec is relatively low and about 180 V / mm. A change in the output of the converted wave indicated by the arrow L2 when the incident position of the fundamental wave incident on the substrate 1 as indicated by the arrow L1 was moved in the thickness direction indicated by the arrow y in FIG. 7A was measured. The result is shown in FIG. 7B. In this example, a laser beam having a wavelength of 1064 nm is used as a fundamental wave, and a converted wave having a wavelength of 532 nm is output. As shown in FIG. 7B, in this case, it can be seen that a substantially uniform output can be obtained within a range where a converted wave is obtained.
次に、ＭｇＯの添加量がやや増加して０．０５ｍｏｌ％程度、抗電場が比較的高く２１０Ｖ／ｍｍ程度の場合を図８に示す。図８において、図７と対応する部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。図８Ａに示すように、この場合は、電圧印加により反転する分極域１６の形状が厚さ方向に異なる部分が生じている。また得られる変換波の出力は、図８Ｂに示すように、厚さ方向すなわちｙ方向の位置によって変化していることが分かる。図８Ｂにおいては右側の出力値が高いほうがパターン電極側、左側の出力値が低いほうが一様電極側である。 Next, FIG. 8 shows a case where the amount of MgO added is slightly increased to about 0.05 mol%, the coercive electric field is relatively high, and about 210 V / mm. In FIG. 8, parts corresponding to those in FIG. As shown in FIG. 8A, in this case, there is a portion where the shape of the polarization region 16 that is inverted by voltage application is different in the thickness direction. Further, as shown in FIG. 8B, it can be seen that the output of the obtained converted wave changes depending on the thickness direction, that is, the position in the y direction. In FIG. 8B, the higher right output value is the pattern electrode side, and the lower left output value is the uniform electrode side.
ＭｇＯの添加量が更に増加して０．１０ｍｏｌ％程度、抗電場が更に高く２３０Ｖ／ｍｍ程度の場合を図９に示す。図９において、図７と対応する部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。図９Ａに示すように、この場合は位置によって、分極域１６が一様電極を形成する側の面１Ｂに達していない部分が生じている。このとき得られる変換波の出力は、図９Ｂに示すように、厚さ方向すなわちｙ方向の位置によってより変化していることが分かる。図９Ｂにおいても、右側の出力値が高い方をパターン電極側、左側の出力値が低い方を一様電極側である。 FIG. 9 shows a case where the amount of MgO added is further increased to about 0.10 mol%, and the coercive electric field is further higher to about 230 V / mm. In FIG. 9, parts corresponding to those in FIG. As shown in FIG. 9A, in this case, a portion where the polarization region 16 does not reach the surface 1B on the side where the uniform electrode is formed occurs depending on the position. It can be seen that the output of the converted wave obtained at this time varies more depending on the thickness direction, that is, the position in the y direction, as shown in FIG. 9B. Also in FIG. 9B, the higher output value on the right side is the pattern electrode side, and the lower output value on the left side is the uniform electrode side.
以上説明したように、ＭｇＯの添加量によって抗電場が異なり、抗電場が高いほど、すなわちＭｇＯ添加量が大きいほど、形成される周期分極反転構造が理想形状とは異なり、得られる変換波の出力が基本波の入射位置によって大きく変化することが分かる。つまり、ＭｇＯ添加量が大きいほど、変換波の出力を一定にするためには、周期分極反転構造が理想形状となるように、電圧を印加する際の電極形状や電圧波形等の条件を複雑化することが必要となる。或いは、基本波入射位置の調整をより精度良く行うことが求められることとなる。したがって、生産性、量産性に問題が生じる恐れがある。また、ＭｇＯ添加量が増加すると欠陥の発生する確率が増え、濃度むらが生じやすくなる等の理由から大面積の単結晶を作製しにくくなるという不都合がある。 As described above, the coercive electric field varies depending on the added amount of MgO, and the higher the coercive field, that is, the larger the added amount of MgO, the different the form of the periodically poled structure from the ideal shape, and the output of the obtained converted wave It can be seen that changes greatly depending on the incident position of the fundamental wave. In other words, the larger the amount of MgO added, the more complicated the conditions such as the electrode shape and voltage waveform when applying voltage so that the periodic polarization inversion structure has an ideal shape in order to make the output of the converted wave constant. It is necessary to do. Alternatively, it is required to adjust the fundamental wave incident position with higher accuracy. Therefore, there may be a problem in productivity and mass productivity. Further, when the amount of added MgO is increased, there is a disadvantage that it is difficult to produce a single crystal having a large area because the probability of occurrence of defects increases and uneven concentration tends to occur.
このような不都合を回避するためには、ＭｇＯ添加量を０．１５ｍｏｌ％以下とすればよいことが以下の実施例及び比較例の結果により判明した。次にこの結果について説明する。 In order to avoid such inconveniences, it was found from the results of the following examples and comparative examples that the MgO addition amount should be 0.15 mol% or less. Next, this result will be described.
（１）第１の実施の形態例
モル分率（（Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５））＝０．４８５のコングルエント組成のタンタル酸リチウムに対して、ＭｇＯを０．０２５ｍｏｌ％添加した融液を使用して、２インチサイズのタンタル酸リチウム単結晶を育成した。
育成したタンタル酸リチウム単結晶をＺ面で切り出し、１ｍｍ厚に加工した基板を使用して、図２〜図４に示した構成の容器及び製造装置を使用して、気相平衡法（ＶＴＥ法）により処理を行った。ＶＴＥ法による処理の条件は、原料粉末の組成を０．６５Ｌｉ２Ｏ・０．３５Ｔａ２Ｏ５（モル比）、処理温度を１３６０℃、処理時間を２００時間とした。
ＶＴＥ処理直後の基板は多分域状態であるため、両面にカーボンペーストを塗布して電極材として、２００℃に加熱すると共に両電極間におよそ１ｋＶの直流電圧を印加して、単分域化処理を行った。
さらに、単分域化処理時の歪を除去するために、６００℃でアニールを行った。
これにより、タンタル酸リチウムの単結晶を得た。
(1) First Embodiment Example 0.025 mol% of MgO is added to lithium tantalate having a congruent composition of molar fraction ((Li 2 O / (Li 2 O + Ta 2 O 5 )) = 0.485. A 2 inch size lithium tantalate single crystal was grown using the melt.
The grown lithium tantalate single crystal was cut out on the Z plane and processed to a thickness of 1 mm, using the container and the manufacturing apparatus shown in FIGS. ). The treatment conditions by the VTE method were as follows: the composition of the raw material powder was 0.65Li 2 O.0.35Ta 2 O 5 (molar ratio), the treatment temperature was 1360 ° C., and the treatment time was 200 hours.
Since the substrate immediately after the VTE process is in a multi-domain state, a carbon paste is applied to both sides and heated to 200 ° C. as an electrode material, and a DC voltage of about 1 kV is applied between both electrodes to perform a single domain process. Went.
Further, annealing was performed at 600 ° C. in order to remove distortion during the single domain treatment.
Thereby, a single crystal of lithium tantalate was obtained.
得られた単結晶に対して、以下の方法によって、特性を測定した。
まず、ソーヤータワーブリッジ法で、強誘電ヒステリシス曲線を測定した。
その結果、対称性の良いヒステリシス曲線が測定された。飽和自発分極量は５５μＣ／ｃｍ２と文献値とほぼ同等であり、抗電場の値は１８０Ｖ／ｍｍとなっていた。
次に、耐光損傷強度を測定した。測定方法は、波長５３２ｎｍの連続発振の緑色レーザ光を直径４０μｍに絞って、レーザの偏光方向がｃ軸に平行になるように、単結晶中へ入射させて、単結晶から出射するレーザビームをスクリーン上に投影した。
もし、光損傷が発生すると、結晶の屈折率が大きく変化するために、出射するレーザビームがスポット状から変形するので、光損傷を目視で観察することができる。
測定の結果、測定時に用いた緑色レーザの発生装置の出力限界である８Ｗ（パワー密度〜６３０ｋＷ／ｃｍ２）入射に対しても、光損傷が全く観察されなかった。
The characteristics of the obtained single crystal were measured by the following method.
First, the ferroelectric hysteresis curve was measured by the Sawyer Tower Bridge method.
As a result, a hysteresis curve with good symmetry was measured. The saturation spontaneous polarization amount was 55 μC / cm 2 , almost the same as the literature value, and the coercive electric field value was 180 V / mm.
Next, the light damage resistance was measured. The measurement method is to squeeze a continuous-wave green laser beam having a wavelength of 532 nm to a diameter of 40 μm, enter the single crystal so that the polarization direction of the laser is parallel to the c-axis, and emit a laser beam emitted from the single crystal. Projected on the screen.
If optical damage occurs, the refractive index of the crystal changes greatly, so that the emitted laser beam is deformed from a spot shape, so that optical damage can be observed visually.
As a result of the measurement, no optical damage was observed even at 8 W (power density to 630 kW / cm 2 ) incident, which is the output limit of the green laser generator used at the time of measurement.
そして、このタンタル酸リチウム単結晶基板に対して、幅Ｌが３μｍ、周期Λが８μｍのクロムより成る櫛状電極を一方の面に形成し、他方の面にクロムより成る一様電極を形成して、印加電圧を抗電場Ｅｃの１．５倍すなわち２７０Ｖ／ｍｍとし、印加時間を５０ｍｓとして直流パルス電圧の印加により周期分極反転構造を形成して光機能素子を形成した。パルス回数は１回である。この光機能素子に対して波長１０６４ｎｍの基本波を厚さ方向に走査して、得られる波長５３２ｎｍの変換波の出力を測定した。この結果を図１０Ａに示す。
図１０Ａの結果から、この場合は得られる変換波の出力のばらつきが厚さ方向で小さく、実用上好ましいことが分かる。
変換波の出力を測定した後、電極を除去し、更に硝酸と弗酸との混合液で表面をエッチングし、分極方向によるエッチングレートの違いを利用して分極反転構造を表出させ、これを顕微鏡により観察した。観察した写真図及びその模式図を図１０Ｂ〜Ｄに示す。図１０Ｂはパターン電極側の写真図、図１０Ｃはその模式図、図１０Ｄは一様電極側の写真図、図１０Ｅはその模式図である。これらを比較すると、ＭｇＯの添加量が０．０２５ｍｏｌ％の場合はパターン電極側から一様電極側にかけて同様に電極パターンに対応する周期分極反転構造が形成されていることが分かる。
Then, on this lithium tantalate single crystal substrate, a comb-like electrode made of chromium having a width L of 3 μm and a period Λ of 8 μm is formed on one surface, and a uniform electrode made of chromium is formed on the other surface. Then, the applied voltage was 1.5 times the coercive electric field Ec, that is, 270 V / mm, the application time was 50 ms, and a periodic pulse inversion structure was formed by applying a DC pulse voltage to form an optical functional element. The number of pulses is one. The optical functional element was scanned with a fundamental wave having a wavelength of 1064 nm in the thickness direction, and the output of the obtained converted wave having a wavelength of 532 nm was measured. The result is shown in FIG. 10A.
From the result of FIG. 10A, it can be seen that in this case, the variation in the output of the converted wave obtained is small in the thickness direction, which is preferable in practice.
After measuring the output of the converted wave, the electrode is removed, the surface is etched with a mixture of nitric acid and hydrofluoric acid, and the domain-inverted structure is exposed using the difference in the etching rate depending on the polarization direction. Observed with a microscope. The observed photograph figure and its schematic diagram are shown to FIG. 10B is a photograph of the pattern electrode side, FIG. 10C is a schematic view thereof, FIG. 10D is a photograph of the uniform electrode side, and FIG. 10E is a schematic view thereof. Comparing these, it can be seen that when the addition amount of MgO is 0.025 mol%, a periodically poled structure corresponding to the electrode pattern is formed similarly from the pattern electrode side to the uniform electrode side.
（２）第２の実施の形態例
コングルエント組成タンタル酸リチウムに対するＭｇＯの添加量を０．０５ｍｏｌ％に増やした他は、第１の実施の形態例と同様の方法により、単結晶の育成、ＶＴＥ法による処理、単分域化処理を２００℃で行い、タンタル酸リチウム単結晶を得た。
得られた単結晶に対して、第１の実施の形態例と同様の方法により、特性を測定した。
その結果、第１の実施の形態例と同様に８Ｗ入射に対しても光損傷は全く観察されなかった。
また、対称性の良いヒステリシス曲線が得られ、飽和自発分極量は５６μＣ／ｃｍ２と実施例１に近い値が得られた。また、抗電場の値は２１０Ｖ／ｍｍとなっていた。
(2) Second Embodiment A single crystal is grown by the same method as in the first embodiment except that the amount of MgO added to the congruent composition lithium tantalate is increased to 0.05 mol%. The treatment by the method and the single domain treatment were performed at 200 ° C. to obtain a lithium tantalate single crystal.
The characteristics of the obtained single crystal were measured by the same method as in the first embodiment.
As a result, no optical damage was observed at 8 W incidence as in the first embodiment.
Further, a hysteresis curve with good symmetry was obtained, and the saturation spontaneous polarization amount was 56 μC / cm 2, which was a value close to Example 1. The coercive electric field value was 210 V / mm.
更に、第１の実施の形態例と同様の電極材料、電極構造、印加電圧条件により周期分極反転構造を形成して光機能素子を得て、この光機能素子に波長１０６４ｎｍの基本波を入力して得られる波長５３２ｎｍの変換波の出力の厚さ方向のばらつきを測定した。周期分極反転構造形成時の印加電圧は抗電場の１．５倍、すなわちこの場合３１５Ｖ／ｍｍ、印加時間は５０ｍｓでパルス回数は１回である。この結果を図１１に示す。
図１１から明らかなように、この場合は厚さ方向に出力のばらつきが生じ始めていることが分かる。
Further, an optical functional element is obtained by forming a periodic polarization inversion structure according to the same electrode material, electrode structure and applied voltage conditions as in the first embodiment, and a fundamental wave having a wavelength of 1064 nm is input to this optical functional element. The variation in the thickness direction of the output of the converted wave having a wavelength of 532 nm was measured. The applied voltage when forming the periodically poled structure is 1.5 times the coercive electric field, that is, 315 V / mm in this case, the application time is 50 ms, and the number of pulses is one. The result is shown in FIG.
As is apparent from FIG. 11, in this case, it can be seen that output variation starts to occur in the thickness direction.
またこの例においても、変換波の出力を測定した後、第１の実施の形態例と同様に、電極を除去した後エッチングによって分極反転構造を表出させ、これを顕微鏡により観察した。この結果を図１１Ｂ〜Ｄに示す。図１１Ｂはパターン電極側の写真図、図１１Ｃはその模式図、図１１Ｄは一様電極側の写真図、図１１Ｅはその模式図である。これらを比較すると、ＭｇＯの添加量が０．０５ｍｏｌ％の場合は一様電極側の分極反転構造は部分的に途切れているが、幅はパターン電極側と同程度に保っていることが分かる。 Also in this example, after measuring the output of the converted wave, similarly to the first embodiment, after removing the electrodes, the domain-inverted structure was exposed by etching, and this was observed with a microscope. The results are shown in FIGS. 11B is a photograph of the pattern electrode side, FIG. 11C is a schematic view thereof, FIG. 11D is a photograph of the uniform electrode side, and FIG. 11E is a schematic view thereof. Comparing these, it can be seen that when the amount of MgO added is 0.05 mol%, the polarization inversion structure on the uniform electrode side is partially interrupted, but the width is kept at the same level as the pattern electrode side.
（３）第３の実施の形態例
コングルエント組成タンタル酸リチウムに対するＭｇＯの添加量を０．１０ｍｏｌ％に増やした他は、第１の実施の形態例と同様の方法により、単結晶の育成、ＶＴＥ法による処理を行い、単分域化処理温度を４００℃として、タンタル酸リチウム単結晶を得た。ここで単分域化処理温度を高めたのは第１の実施の形態例１及び２の２００℃処理では単分域化が不十分であったためである。
得られた単結晶に対して、第１の実施の形態例と同様の方法により、特性を測定した。
その結果、実施例１と同様に８Ｗ入射に対しても光損傷は全く観察されなかった。
また、対称性の良いヒステリシス曲線が得られ、飽和自発分極量は５６μＣ／ｃｍ２と実施例１に近い値が得られた。また、抗電場の値は２３０Ｖ／ｍｍとなっていた。
(3) Third Embodiment Except for increasing the amount of MgO added to the congruent composition lithium tantalate to 0.10 mol%, the same method as in the first embodiment is used to grow single crystals, VTE The treatment by the method was carried out, and the single domain treatment temperature was set to 400 ° C. to obtain lithium tantalate single crystals. The reason why the single-domain treatment temperature was increased is that the single-domain treatment was insufficient in the 200 ° C. treatment in the first and second embodiments.
The characteristics of the obtained single crystal were measured by the same method as in the first embodiment.
As a result, as in Example 1, no optical damage was observed at 8 W incidence.
Further, a hysteresis curve with good symmetry was obtained, and the saturation spontaneous polarization amount was 56 μC / cm 2, which was a value close to Example 1. The coercive electric field value was 230 V / mm.
更に、第１及び第２の実施の形態例と同様の電極材料、電極構造、印加電圧条件により周期分極反転構造を形成して光機能素子を得て、この光機能素子に波長１０６４ｎｍの基本波を入力して得られる波長５３２ｎｍの変換波の出力の厚さ方向のばらつきを測定した。周期分極反転構造形成時の印加電圧は抗電場の１．５倍、すなわちこの場合３４５Ｖ／ｍｍ、印加時間は５０ｍｓでパルス回数は１回である。この結果を図１２に示す。
図１２から明らかなように、この場合更に厚さ方向に出力のばらつきが生じていることが分かる。
Further, an optical functional element is obtained by forming a periodic polarization inversion structure according to the same electrode material, electrode structure, and applied voltage conditions as in the first and second embodiments, and a fundamental wave having a wavelength of 1064 nm is formed in this optical functional element. Variation in the thickness direction of the output of the converted wave having a wavelength of 532 nm obtained by inputting. The applied voltage when forming the periodically poled structure is 1.5 times the coercive electric field, that is, 345 V / mm in this case, the application time is 50 ms, and the number of pulses is one. The result is shown in FIG.
As is apparent from FIG. 12, in this case, it can be seen that output variation further occurs in the thickness direction.
この例においても、変換波の出力を測定した後、第１及び第２の実施の形態例と同様に、電極を除去した後エッチングによって分極反転構造を表出させ、これを顕微鏡により観察した。この結果を図１２Ｂ〜Ｄに示す。図１２Ｂはパターン電極側の写真図、図１２Ｃはその模式図、図１２Ｄは一様電極側の写真図、図１２Ｅはその模式図である。これらを比較すると、ＭｇＯの添加量が０．１０ｍｏｌ％の場合は一様電極側の分極反転構造は幅が狭くなっているが、一様電極側まで分極域が形成されている領域が多いことが分かる。 Also in this example, after measuring the output of the converted wave, similarly to the first and second embodiments, after removing the electrodes, the domain-inverted structure was exposed by etching, and this was observed with a microscope. The results are shown in FIGS. 12B is a photograph of the pattern electrode side, FIG. 12C is a schematic view thereof, FIG. 12D is a photograph of the uniform electrode side, and FIG. 12E is a schematic view thereof. Comparing these, when the added amount of MgO is 0.10 mol%, the polarization inversion structure on the uniform electrode side is narrow, but there are many regions where the polarization region is formed to the uniform electrode side. I understand.
（４）第４の実施の形態例
コングルエント組成タンタル酸リチウムに対するＭｇＯの添加量を０．１５ｍｏｌ％に増やした他は、第１の実施の形態例と同様の方法により、単結晶の育成、ＶＴＥ法による処理を行い、単分域化処理温度を４００℃として、タンタル酸リチウム単結晶を得た。
得られた単結晶に対して、第１の実施の形態例と同様の方法により、特性を測定した。
その結果、第１の実施の形態例と同様に８Ｗ入射に対しても光損傷は全く観察されなかった。
また、対称性の良いヒステリシス曲線が得られ、飽和自発分極量は５６μＣ／ｃｍ２と実施例１に近い値が得られた。また、抗電場の値は２９０Ｖ／ｍｍとなってい。
(4) Fourth Embodiment A single crystal growth, VTE is performed by the same method as in the first embodiment except that the amount of MgO added to the congruent composition lithium tantalate is increased to 0.15 mol%. The treatment by the method was performed, the single domain treatment temperature was set to 400 ° C., and a lithium tantalate single crystal was obtained.
The characteristics of the obtained single crystal were measured by the same method as in the first embodiment.
As a result, no optical damage was observed at 8 W incidence as in the first embodiment.
Further, a hysteresis curve with good symmetry was obtained, and the saturation spontaneous polarization amount was 56 μC / cm 2, which was a value close to Example 1. The value of the coercive electric field is 290 V / mm.
この例においても、第１〜第３の実施の形態例と同様の電極材料、電極構造、印加電圧条件により周期分極反転構造を形成して光機能素子を得て、この光機能素子に波長１０６４ｎｍの基本波を入力して得られる波長５３２ｎｍの変換波の出力の厚さ方向のばらつきを測定した。周期分極反転構造形成時の印加電圧は抗電場の１．５倍、すなわちこの場合４３５Ｖ／ｍｍ、印加時間は５０ｍｓでパルス回数は１回である。この結果を図１３に示す。
図１３から明らかなように、この場合厚さ方向の出力の変動がより大きくなっていることが分かる。しかしながらこの場合、基本波を入射する位置を精度良く調整すれば、所望の出力の変換波が得られることが分かる。
Also in this example, an optical functional element is obtained by forming a periodic polarization reversal structure according to the same electrode material, electrode structure, and applied voltage conditions as in the first to third embodiments, and the wavelength of 1064 nm is obtained in this optical functional element. The variation in the thickness direction of the output of the converted wave having a wavelength of 532 nm obtained by inputting the fundamental wave was measured. The applied voltage when forming the periodically poled structure is 1.5 times the coercive electric field, that is, 435 V / mm in this case, the application time is 50 ms, and the number of pulses is one. The result is shown in FIG.
As can be seen from FIG. 13, in this case, the variation in the output in the thickness direction is larger. However, in this case, it can be seen that a converted wave having a desired output can be obtained by accurately adjusting the position where the fundamental wave is incident.
この例においても、変換波の出力を測定した後、第１〜第３の実施の形態例と同様に、電極を除去した後エッチングによって分極反転構造を表出させ、これを顕微鏡により観察した。この結果を図１３Ｂ〜Ｄに示す。図１３Ｂはパターン電極側の写真図、図１３Ｃはその模式図、図１３Ｄは一様電極側の写真図、図１３Ｅはその模式図である。これらを比較すると、ＭｇＯの添加量が０．１５ｍｏｌ％の場合は一様電極側では一部分極域が形成されない部分が生じていることが分かる。 Also in this example, after measuring the output of the converted wave, similarly to the first to third embodiments, after removing the electrode, the domain-inverted structure was exposed by etching, and this was observed with a microscope. The results are shown in FIGS. 13B is a photograph of the pattern electrode side, FIG. 13C is a schematic view thereof, FIG. 13D is a photograph of the uniform electrode side, and FIG. 13E is a schematic view thereof. When these are compared, it can be seen that when the amount of MgO added is 0.15 mol%, a part where no polarization region is formed is formed on the uniform electrode side.
（５）比較例１
コングルエント組成タンタル酸リチウムに対するＭｇＯの添加量を０．２０ｍｏｌ％に増やした他は、第１の実施の形態例と同様の方法により、単結晶の育成、ＶＴＥ法による処理を行い、単分域化処理温度を４００℃として、タンタル酸リチウム単結晶を得た。
得られた単結晶に対して、第１の実施の形態例と同様の方法により、特性を測定した。
その結果、第１の実施の形態例と同様に８Ｗ入射に対しても光損傷は全く観察されなかった。
また、対称性の良いヒステリシス曲線が得られ、飽和自発分極量は５２μＣ／ｃｍ２と第１の実施の形態例に近い値が得られた。また、抗電場の値は４２０Ｖ／ｍｍとなっていた。
(5) Comparative Example 1
A single crystal is grown by the same method as in the first embodiment except that the amount of MgO added to the congruent composition lithium tantalate is increased to 0.20 mol%, and the VTE method is used. The treatment temperature was set to 400 ° C. to obtain a lithium tantalate single crystal.
The characteristics of the obtained single crystal were measured by the same method as in the first embodiment.
As a result, no optical damage was observed at 8 W incidence as in the first embodiment.
In addition, a hysteresis curve with good symmetry was obtained, and the saturation spontaneous polarization amount was 52 μC / cm 2, which was a value close to that of the first embodiment. The coercive electric field value was 420 V / mm.
この場合においても、周期分極反転構造を上述の第１〜第４の実施の形態例と同様の条件で形成し、厚さ方向の変換波の出力を測定した。すなわち周期分極反転構造を形成する際の電極材料、電極形状は同様とし、印加電圧を抗電圧の１．５倍、パルス時間は同様に５０ｍｓとした。この結果周期分極反転構造が形成された光機能素子は、変換波の出力のばらつきが大きく、一定以上の出力が得られる範囲が狭くなってしまい、実用上好ましくないことが分かった。つまりこのＭｇＯ添加量とするタンタル酸リチウム単結晶基板を用いる場合は、周期分極反転構造を形成する際の電極形状やパルス電圧の波形等を複雑化する必要が生じ、また、基本波入射位置の光学的調整が厳しく、生産性の低下もしくは歩留まりの低下を招く恐れがある。 Also in this case, the periodically poled structure was formed under the same conditions as in the first to fourth embodiments described above, and the output of the converted wave in the thickness direction was measured. That is, the electrode material and the electrode shape when forming the periodically poled structure were the same, the applied voltage was 1.5 times the coercive voltage, and the pulse time was also 50 ms. As a result, it was found that the optical functional element in which the periodically poled structure is formed has a large variation in the output of the converted wave, and the range in which a certain level of output can be obtained becomes narrow. In other words, when a lithium tantalate single crystal substrate with this MgO addition amount is used, it is necessary to complicate the electrode shape, pulse voltage waveform, etc. when forming the periodically poled structure, and the fundamental wave incident position The optical adjustment is severe, and there is a risk that productivity or yield may be reduced.
（６）比較例２
コングルエント組成タンタル酸リチウムにＭｇＯ添加物を加えない融液から育成したタンタル酸リチウム単結晶を用いた他は、第１の実施の形態例と同様の方法により、単結晶の育成、ＶＴＥ法による処理、単分域化処理を行い、タンタル酸リチウム単結晶を得た。
得られた単結晶に対して、実施例１と同様の方法により、特性を測定した。
その結果、対称性の良いヒステリシス曲線が測定され、飽和自発分極量は５４μＣ／ｃｍ２と文献値とほぼ同等であり、抗電場の値は１１０Ｖ／ｍｍとなっていた。
一方、光損傷は、４Ｗ（パワー密度〜３００ｋＷ／ｃｍ２）入射に対して出射ビームの変形が観測され、第１〜第４の実施の形態例と比較して、光損傷閾値が低下していることがわかった。
すなわちこの結果から、ＶＴＥ法による処理を行って化学量論組成に近づけたタンタル酸リチウム単結晶であっても、ＭｇＯ添加物を含まない場合は耐光損傷強度を充分得ることができないといえる。
(6) Comparative Example 2
A single crystal is grown and processed by the VTE method in the same manner as in the first embodiment except that a lithium tantalate single crystal grown from a melt without adding an MgO additive to a congruent composition lithium tantalate is used. Then, a single domain treatment was performed to obtain a lithium tantalate single crystal.
The characteristics of the obtained single crystal were measured by the same method as in Example 1.
As a result, a hysteresis curve with good symmetry was measured, the saturation spontaneous polarization amount was 54 μC / cm 2 , which was almost equivalent to the literature value, and the coercive electric field value was 110 V / mm.
On the other hand, as for optical damage, deformation of the outgoing beam is observed with respect to 4 W (power density to 300 kW / cm 2 ) incidence, and the optical damage threshold is lower than that in the first to fourth embodiments. I found out.
That is, from this result, it can be said that even if the lithium tantalate single crystal is made close to the stoichiometric composition by performing the treatment by the VTE method, the light damage resistance cannot be sufficiently obtained when the MgO additive is not included.
（７）比較例３
気相平衡法（ＶＴＥ法）によって処理する前のコングルエント組成の単結晶について、上述の実施の形態例及び比較例と同様にして、光損傷の測定を行った。ＭｇＯの添加量を、０ｍｏｌ％（添加なし）、０．０５ｍｏｌ％、０．１ｍｏｌ％、０．２ｍｏｌ％、０．５ｍｏｌ％、１ｍｏｌ％、３ｍｏｌ％、５ｍｏｌ％と変えた、８種類の単結晶の測定を行った。
その結果、８種類とも、０．０５Ｗ（パワー密度４ｋＷ／ｃｍ２）の光照射でも出射ビームの変形（光損傷）が観察された。
すなわち、ＭｇＯを添加する場合であっても、気相平衡法（ＶＴＥ法）による処理を行わないと、充分な光損傷強度が得られないことがわかった。
(7) Comparative Example 3
For single crystals having a congruent composition before being processed by the vapor phase equilibrium method (VTE method), optical damage was measured in the same manner as in the above-described embodiment and comparative examples. 8 types of single crystals with different amounts of MgO added: 0 mol% (no addition), 0.05 mol%, 0.1 mol%, 0.2 mol%, 0.5 mol%, 1 mol%, 3 mol%, 5 mol% Was measured.
As a result, in all of the eight types, deformation (photodamage) of the emitted beam was observed even with light irradiation of 0.05 W (power density 4 kW / cm 2 ).
That is, even when MgO is added, it has been found that sufficient optical damage intensity cannot be obtained unless treatment by the vapor phase equilibrium method (VTE method) is performed.
以上の結果から、タンタル酸リチウム短結晶にＭｇＯを添加し、更にＶＴＥ法による処理を行うことにより耐光損傷強度を充分に得ることができることが分かる。また、第１〜第４の実施の形態例におけるＭｇＯの添加量の範囲、すなわち０．０２５ｍｏｌ％以上０．１５ｍｏｌ％以下に選定することによって、確実に光損傷強度を確保し、且つ抗電場を低減化することができて、周期分極反転構造を形成した場合の変換波の出力のばらつきを抑えることができることがわかる。
なお、ＭｇＯ添加量が０．０２５ｍｏ％未満であっても、０ｍｏｌ％を超える範囲であれば、添加しない場合と比べて耐光損傷強度の向上を図る効果が得られ、また抗電場が充分低くなるので、周期分極反転構造を形成した場合の変換波の出力のばらつきを抑えることができる。
一方、ＭｇＯの添加量を０．１５ｍｏｌ％以下の範囲とする場合は、これより添加量を多くする場合と比較するとタンタル酸リチウム単結晶基板の欠陥の発生を抑えることができ、また濃度むらが生じにくい等の理由から、３インチ以上の大型単結晶基板を形成する場合に有利となる。このため、分極反転構造が形成された３インチ程度以上の比較的大型の光機能素子の量産性を高めることが可能となる。
したがって、本発明においては、ＭｇＯの添加量として、０ｍｏｌ％を超える０．１５ｍｏｌ％以下に選定するものであり、より好ましくは０．０２５ｍｏｌ％以上０．１５ｍｏｌ％以下とするものである。
From the above results, it can be seen that the light damage resistance can be sufficiently obtained by adding MgO to the lithium tantalate short crystal and further performing the treatment by the VTE method. In addition, by selecting the range of addition amount of MgO in the first to fourth embodiments, that is, 0.025 mol% or more and 0.15 mol% or less, the optical damage strength is surely ensured and the coercive electric field is reduced. It can be seen that the variation of the output of the converted wave when the periodically poled structure is formed can be suppressed.
In addition, even if the amount of MgO added is less than 0.025 mo%, if it is in the range exceeding 0 mol%, the effect of improving the light damage resistance can be obtained as compared with the case where it is not added, and the coercive electric field is sufficiently low. Therefore, it is possible to suppress variations in the output of the converted wave when the periodically poled structure is formed.
On the other hand, when the amount of MgO added is in the range of 0.15 mol% or less, the generation of defects in the lithium tantalate single crystal substrate can be suppressed as compared with the case where the amount added is larger than this, and the concentration unevenness is also reduced. This is advantageous when a large single crystal substrate of 3 inches or more is formed because it is less likely to occur. For this reason, it becomes possible to increase the mass productivity of a relatively large optical functional element of about 3 inches or more on which the domain-inverted structure is formed.
Therefore, in the present invention, the addition amount of MgO is selected to be 0.15 mol% or more exceeding 0 mol%, and more preferably 0.025 mol% or more and 0.15 mol% or less.
なお、上述の各実施の形態例では、コングルエント組成として、モル分率（（Ｌｉ２Ｏ／（Ｌｉ２Ｏ＋Ｔａ２Ｏ５））＝０．４８５の組成を使用したが、一般的に言われているコングルエント組成範囲であれば、その他の組成としても同様の効果を得ることが可能である。 In each of the above-described embodiments, a composition having a molar fraction ((Li 2 O / (Li 2 O + Ta 2 O 5 )) = 0.485 is used as the congruent composition. Within the congruent composition range, the same effect can be obtained with other compositions.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な変形、変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications and changes can be made without departing from the gist of the present invention.
１ タンタル酸リチウム単結晶基板、３ 原料粉末、４ 収容部材、５ 保持部材、６ 被覆部材、７ 容器、８ 装置、９ 炉、１０ 炉蓋、１１ 電極、１５ 周期分極反転構造、１６ 分極域、２０ 光機能素子 ５０ 光学装置、５１ 励起光源、５２ 半波長板、５３ 光学レンズ、５４ ミラー、５５ レーザ媒質、５６ 光機能素子、５７ ミラー DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium tantalate single crystal substrate, 3 Raw material powder, 4 Holding member, 5 Holding member, 6 Cover member, 7 Container, 8 Apparatus, 9 Furnace, 10 Furnace lid, 11 Electrode, 15 Periodic polarization inversion structure, 16 Polarization region, 20 optical functional element 50 optical device, 51 excitation light source, 52 half-wave plate, 53 optical lens, 54 mirror, 55 laser medium, 56 optical functional element, 57 mirror
Claims (8)
前記コングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を、少なくともリチウムを含む原料を用いて気相平衡法により処理することにより、化学量論組成に近づけ、
前記化学量論組成に近づけたタンタル酸リチウム単結晶基板を用いて光機能素子を形成する
ことを特徴とする光機能素子の製造方法。 Using a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition containing magnesium oxide as an additive and having an addition amount of 0.15 mol% or more exceeding 0 mol%,
By treating the lithium tantalate single crystal substrate of the congruent composition by a vapor phase equilibrium method using a raw material containing at least lithium, it approaches a stoichiometric composition,
An optical functional element is formed using a lithium tantalate single crystal substrate close to the stoichiometric composition. A method for manufacturing an optical functional element.
前記コングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板を、少なくともリチウムを含む原料を用いて気相平衡法により処理することにより、化学量論組成に近づける
ことを特徴とするタンタル酸リチウム単結晶の製造方法。 Using a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition containing magnesium oxide as an additive and having an addition amount of 0.15 mol% or more exceeding 0 mol%,
A method for producing a lithium tantalate single crystal, wherein the lithium tantalate single crystal substrate having the congruent composition is processed by a vapor phase equilibrium method using a raw material containing at least lithium to approximate a stoichiometric composition.
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